PDF《热网特性对于综合能源系统超短期调度的影响》

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a e p s - i n f o . c o m 热网特性对于综合能源系统超短期调度的影响 姚帅1 ,顾伟1 ,张雪松2 ,赵波2 ,陆帅1 ,吴晨雨1 ( 1. 东南大学电气工程学院,江苏省南京市

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9 6;

2. 国网浙江省电力公司电力科学研究院,浙江省杭州市

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1 4 ) 摘要:综合能源系统中的热网和电网在传输时延和传输损耗等方面存在显著差异.文中着重研究 热网特性对于系统超短期调度的影响, 首先基于图论建立适用于系统优化调度的热网模型, 重点研 究热媒温度的暂态变化特性, 推导出依据调度周期和管段长度判断管段暂/稳传热特性的公式.随 后分别对比三种情景下( 考虑热网暂态传热特性、 仅考虑热网稳态传热特性和不考虑热网传热特 性) 设备的最优运行状态、 日运行成本和模型求解时间.研究结果表明, 热网复杂的拓扑结构和传 输时延造成的蓄热特性改变了系统热功率的供求匹配机理, 使得热源端和负荷端的供、 求热功率不 再实时匹配.考虑热网暂态传热特性前后, 燃气锅炉的最优出力和热网的供水温度变化显著, 可见 在系统超短期调度环节应考虑热网暂态传热特性. 关键词:综合能源系统;

热网模型;

热力工况;

暂态传热特性;

网络拓扑;

超短期调度 收稿日期:

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1 7 -

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1 4;

修回日期:

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2 8. 上网日期:

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2 8. 国家自然科学基金资助项目(

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2 9 ) ;

国家科技支撑计划 资助项目(

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1 5 B AA

0 1 B

0 1 ) .

0 引言 随着世界能源危机和环境污染问题的日益加 重, 能源互联网、 综合能源系统、 互联网+ 智慧能 源等创新想法不断涌现[

1 -

3 ] , 转变能源供给模式, 建 设清洁高效的现代能源体系具有重要意义.综合能 源系统依托能源传输技术、 能量转换设备和可再生 能源等相关技术的不断革新, 耦合电网、 热网和天然 气网等多种能源网络, 有利于实现多能协同供应和 能源综合梯级利用, 逐渐成为能源领域的重要发展 趋势之一[

4 -

7 ] . 多种能源相互耦合是综合能源系统区别于传统 能源系统的重要标志之一[ 1] , 各类能源的特性差异 对系统的规划运行提出了新的挑战.区域热网作为 传输热能的媒介, 由于在传输损耗和传输时延方面 与电网具有明显差异[

5 -

7 ] , 在构建多能协同供应的综 合能源系统中吸引了广泛的研究关注.文献[ 6] 针 对多区域综合能源系统之间的环状热网, 考虑了网 络流量―温度约束和热损平衡约束, 并将 其应用于 多区域综合能源系统的协同规划.文献[ 8] 关注区 域热网的传输时延, 提出了一种利用热网和建筑物 负荷 的热惯性来消纳风电的优化运行模型. 文献[

9 -

1 2 ] 采用相似的思路, 利用区域热网的蓄热能 力适应大量的可再生能源接入, 提高系统运行的灵 活性和经济性. 目前对于热网水力工况的研究已趋于成熟, 但 对热力工况的研究尚处于探索阶段[

1 3 -

1 4] .文献[

1 0 ] 提出了一种分开考虑输送延迟和热损失的方法来模 拟热网温度变化的动态特性.文献[

1 5 ] 对热网进行 动态仿真, 通过改变热源供热量, 定量分析了管网的 输送延迟和蓄热特性.文献[

1 6 ] 在节点法的基础上 提出了一种突出考虑热网暂态温度特性的数值模拟 方法, 并与商业软件TERM I S 的预测结果进行对比. 上述研究虽然能够获得较高精度的热力数据, 但是所用模型较为复杂, 求解耗时长, 并且需要给定 用户热负荷数据和热源供水温度, 难以应用于综合 能源系统的超短期调度中.部分学者面向稳态传热 问题, 对热网的传热特性和网络约束做了大量简化. 文献[

6 ] 中所建立的热网模型未考虑管段的温度、 压 力变化和传输延时特性.文献[

7 ] 固定回水温度, 未 考虑回水管网拓扑结构和温度变化对于供热系统的 影响.文献[

1 7 ] 认为热网中热媒的出口温度跟随入 口温度实时变化, 忽略了热媒温度由初态变化到稳 态的过渡过程.上述热网模型虽然易于求解, 但是 当系统调度策略的时间尺度与热网延时相当时, 将 导致显著的误差, 因而问题的关键在于建立一个兼 顾精确性和求解复杂度的热网模型. 本文在现有热网模型的基础上, 进一步考虑回 水管网的拓扑结构、 管段温度变化的暂态过程和热

3 8 第4 2卷第1 4期2018年7月2 5日Vol.42N o .

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1 8 D O I :

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7 网传热的时延特性, 建立精细化的热网模型, 兼顾了 模型精确性和求解复杂度.为了反映热网特性对于 综合能源系统超短期调度策略的影响, 设置了三个 情景并对设备最优出力和热网最优运行状态进行对 比分析.

1 热网建模 供热系统常用蒸汽和热水作为载热介质, 中国 采暖、 通风和热水负荷均以热水作为载热介质[

1 8] . 本文所建立的热网模型基于热水供热系统, 采暖热 用户与热水网路采用无混合装置的直接连接方式, 通风用 热设备与热水网路采用最简单的连接方式[

1 8 ] , 热水供应热用户通过表面式水―水换热器与 热水网路相连, 采用无储水箱的连接方式.供热采 用质调节并且满足水力工况要求. 将热网看作流体网络, 如图1所示, 每根管段为 一条支路, 热源、 热用户和管道的连接点为节点.热 网模型共包含节点流量平衡、 节点功率融合、 负荷取 用特性、 供回水温度约束和管段传热特性5个部分. 图中: b i 表示管道;

L i 表示负荷;

S i 表示热源. 图1 热网示意图 F i g .

1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fh e a t i n gn e t w o r k 1.

1 节点流量平衡 对于热网中任一节点, 流入的热媒流量之和等 于流出的热媒流量之和, 即A~F-A ~ F=0 (

1 ) F= f1 f2 … fb [ ]T (

2 ) 式中: A ~ 和A ~ 分别为热网的上、 下关联矩阵[

1 3 ] ;

F 为 流量列向量;

fi( i=1, 2, …, b) 为第i条支路的热媒 流量. 1.

2 节点功率融合 由能量守恒定律可知, 对于热网中的任一节点, 流入的功率之和等于流出的功率之和, 即A~TE F-A ~ TS F=0 (

3 ) TS F= Ts

1 f1 Ts

2 f2 … Ts b fb [ ]T TE F= Te

1 f1 Te

2 f2 … Te b fb [ ]T { (

4 ) 式中: TS F和TE F 分别为由管段始、 末温度和流量组 成的列向量;

Ts i 和Te i 分别为第i 根管道的起始温 度和末端温度, 其中i=1, 2, …, b. 节点处发生功率融合后, 该节点的温度与流出 该节点的热媒温度相等, 即Tn i=Ts 1, i=Ts 2, i=…=Ts k, i (

5 ) 式中: Tn i为第i 个节点的温度;

Ts 1, i, Ts 2, i, …, Ts k, i 为所有与第i 个节点直接相连, 并且热媒流出该节 点的管段的起始温度. 1.

3 负荷取用特性 如图2所示, 对于包含热用户的热网支路, 供、 回水管段的温度与热用户的取用功率满足式(

6 ) . TL I-TL O=

1 c ρ ηHX QL / F (

6 ) QL / F= QL

1 fL

1 QL

2 fL

2 … QL k fL k é ? ê ê ù ? ú ú T (

7 ) 式中: TL I和TL O分别为所有热用户处的供水温度和 回水温度构成的列向量;

c 为热媒比热容, 取值为4. 2k J / ( k g ・℃) ;

ρ 为热媒密度, 取值为934.

6 6 7k g / m3 ;

ηHX 为热网负荷端各换热设备的平 均效率;

QL / F为所有热用户的取用功率与管道流量 组成的列向量;

QL i 和fL i 分别为第i 个负荷取用的 功率和其所在管段的运行流量, 其中i=1, 2, …, k. 图2 含有热用户的热网管道示意图 F i g .

2 S c h e m a t i cd i a g r a mo fp i p e l i n e i nah e a t i n g n e t w o r kw i t hh e a t u s e r s 1.

4 供回水温度约束 为了保证热源和热用户的供热质量, 需要对热 源和热用户的供、 回水温度进行限制, 即TS O, m i n≤TS O≤TS O, m a x TS I , m i n≤TS I≤TS I , m a x TL I , m i n≤TL I≤TL I , m a x TL O, m i n≤TL O≤TLO, m a x ì ? í ? ? ? ? ? (

8 ) ........